電弧聲信號(hào)在焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

(天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300387)

在實(shí)際焊接過(guò)程中，有經(jīng)驗(yàn)的焊工根據(jù)電弧聲信號(hào)就可以判別焊接狀態(tài)，并及時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)從而保證焊接質(zhì)量，由此可知，電弧聲信號(hào)監(jiān)控焊接質(zhì)量是可行的。目前電弧聲信號(hào)對(duì)焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)大多停留在理論研究階段，并未在焊接自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，深入研究電弧聲信號(hào)在焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面有重要的意義。

一、電弧聲信號(hào)監(jiān)測(cè)焊縫熔透

焊縫熔透狀態(tài)作為反映焊接質(zhì)量的重要信息之一，相比傳統(tǒng)的焊接后進(jìn)行焊接缺陷檢查，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程熔透信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有著重要的意義，而電弧聲信號(hào)的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性可以反映焊縫熔透狀態(tài)。

已有學(xué)者在電弧聲信號(hào)監(jiān)測(cè)焊縫熔透方面進(jìn)行了研究，焊縫熔透狀態(tài)大致可以分為：未熔透、熔透及過(guò)熔透。呂娜[1]等人通過(guò)提取鋁合金的脈沖GTAW焊接過(guò)程的電弧聲信號(hào)，首先研究了電弧聲信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理，并進(jìn)一步分析了電弧聲信號(hào)與焊縫熔透狀態(tài)的相關(guān)性，提出完整的一套電弧聲信號(hào)時(shí)、頻域特征提取算法，大量試驗(yàn)證明，這些特征信號(hào)與焊縫熔透狀態(tài)高度相關(guān)。基于電弧聲信號(hào)與熔透狀態(tài)的非線性特點(diǎn)，建立了BP_Adaboost神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，得到了較高的熔透狀態(tài)識(shí)別率，滿足焊縫熔透實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。

焊接穿孔為焊接過(guò)熔透的一種表現(xiàn)形式，直接影響焊接質(zhì)量，但部分穿孔位置隱藏焊層下方，難以直接發(fā)現(xiàn)。MFM Yusof[2]針對(duì)焊接穿孔現(xiàn)象與電弧聲信號(hào)之間的關(guān)系展開研究。在天然氣管道MIG焊接過(guò)程中，明顯的焊接穿孔位置對(duì)應(yīng)電弧聲時(shí)域上的波動(dòng)，隱藏于焊層下的焊接穿孔在聲信號(hào)時(shí)域波形上無(wú)明顯特征。其通過(guò)對(duì)電弧聲信號(hào)進(jìn)行希爾伯特黃變換得到了電弧聲能量與焊接穿孔位置圖，較高的能量幅值對(duì)應(yīng)較大的焊接穿孔，而且能量突變位置與焊接穿孔位置高度對(duì)應(yīng)，對(duì)于識(shí)別隱藏的焊接穿孔缺陷具有重要的輔助作用。

此外，畢淑娟[3]等對(duì)借助主成分分析方法實(shí)現(xiàn)了平板對(duì)接MIG焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)。首先提取不同熔透狀態(tài)下的電弧聲信號(hào)，提取了短時(shí)能量、短時(shí)平均幅度、短時(shí)過(guò)零率等11個(gè)可表征焊縫熔透狀態(tài)的特征參數(shù)組成60維聯(lián)合特征向量，聯(lián)合特征向量雖然能全面的反映焊縫熔透狀態(tài)，各特征之間難免存在相關(guān)性。經(jīng)主成分降維后獲得8維主成分特征向量，以此為輸入，焊縫熔透狀態(tài)為輸出，借助BP和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立熔透狀態(tài)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)模型。

二、電弧聲信號(hào)監(jiān)測(cè)焊槍位置

焊接過(guò)程中，焊槍與側(cè)壁之間的距離控制是保證側(cè)壁融合良好的關(guān)鍵，因此可靠且能實(shí)時(shí)反映焊槍與側(cè)壁距離的信號(hào)源尤為重要。電弧聲信號(hào)作為伴隨焊接過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)源引起了廣大專家學(xué)者的關(guān)注。

蘭虎[4]以窄間隙熔化極活性氣體保護(hù)焊接為基礎(chǔ)，采用分段焊接試驗(yàn)，改變焊槍擺動(dòng)幅度從而改變焊槍與側(cè)壁的距離并采集對(duì)應(yīng)的電弧聲信號(hào)。通過(guò)功率密度譜分析對(duì)電弧聲信號(hào)的頻域進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，電弧聲信號(hào)頻譜分布與焊槍到側(cè)壁的距離有較高的相關(guān)性。焊槍與側(cè)壁的距離較小時(shí)，電弧聲能量主要集中在低頻段；當(dāng)焊槍與側(cè)壁的距離較大時(shí)，電弧聲能量在低頻和高頻段均有分布。在功率密度分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了聯(lián)合時(shí)頻分析，隨著焊槍與側(cè)壁之間的距離增加，電弧聲能量在低頻段始終有分布，當(dāng)距離增加到2.6mm以上時(shí)，電弧聲能量在高頻出呈現(xiàn)“斷續(xù)-連續(xù)”的分布特征，從理論上說(shuō)明利用電弧聲在時(shí)頻域上的分布特征可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警作用。

由于焊接路徑的偏差將會(huì)影響焊接質(zhì)量，焊接路徑的在線監(jiān)測(cè)是非常重要的。呂娜[5]等人提出了一種基于雙麥克風(fēng)陣列的焊接路徑監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)電弧聲特征分析，得到電弧聲信號(hào)與焊接路徑偏差兩者之間的關(guān)系，從而建立了焊接路徑預(yù)測(cè)模型。通過(guò)試驗(yàn)證明雙麥克風(fēng)陣列在焊接路徑監(jiān)測(cè)中有更好的預(yù)測(cè)精度預(yù)測(cè)誤差最大為1.1901毫米。基于雙麥克風(fēng)陣列的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠滿足脈沖MIG焊接質(zhì)量控制的位置精度要求

三、電弧聲信號(hào)監(jiān)測(cè)焊接質(zhì)量領(lǐng)域的其他應(yīng)用

除上述焊縫熔透、焊槍位置會(huì)影響焊接質(zhì)量之外，焊接過(guò)程中的熔滴過(guò)渡形式、焊接飛濺、保護(hù)氣流量等也會(huì)影響到焊接質(zhì)量。

在實(shí)際焊接過(guò)程中，熔滴過(guò)渡形式會(huì)直接影響焊縫成形的效果，從而決定焊接質(zhì)量。熔滴過(guò)渡的形式可分為：短路過(guò)渡、大滴過(guò)渡、射滴過(guò)渡與射流過(guò)渡，其中射滴過(guò)渡為較理想的過(guò)渡方式。但在自動(dòng)化焊接過(guò)程中，射滴過(guò)渡的參數(shù)匹配范圍窄，因此對(duì)焊接過(guò)程中熔滴過(guò)渡方式的監(jiān)控具有重要意義。石玗[6]等人通過(guò)控制焊接參數(shù)，得到不同熔滴過(guò)渡形式下的電弧聲信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行功率密度分析發(fā)現(xiàn)：射滴過(guò)渡與射流過(guò)渡在頻率分布上較為相似，但幅值差別較大，短路過(guò)渡與大滴過(guò)渡在功率密度分析中區(qū)別不明顯。進(jìn)而對(duì)四類情況下的電弧聲進(jìn)行了ARMA雙譜分析，四類熔滴過(guò)渡形式有明顯的特征區(qū)別。

焊接飛濺、保護(hù)氣流量對(duì)焊接質(zhì)量也有一定的影響。溫建力[7]基于MIG焊分別進(jìn)行焊接飛濺試驗(yàn)和保護(hù)氣流量試驗(yàn)并提取了對(duì)應(yīng)過(guò)程的電弧聲信號(hào)。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生焊接飛濺時(shí)，電弧聲幅值顯著增加，說(shuō)明電弧聲信號(hào)可以檢測(cè)焊接飛濺。合適保護(hù)氣流量能夠保證焊接電弧的穩(wěn)定性，從而獲得較好的焊縫成形。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)保護(hù)氣流量達(dá)到15L/min時(shí)，電弧聲信號(hào)比較平滑，電弧燃弧穩(wěn)定。

四、結(jié)論

本文綜述了近些年電弧聲信號(hào)在焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究成果，大多學(xué)者集中在MIG焊電弧聲信號(hào)監(jiān)測(cè)焊接質(zhì)量的研究，MIG焊接過(guò)程無(wú)短路，電弧聲信號(hào)受到干擾較少，而且大多研究成果是通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將電弧聲特征與焊接質(zhì)量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在實(shí)際工業(yè)控制中不能直接應(yīng)用。在電弧聲信號(hào)特征應(yīng)用于焊槍位置監(jiān)測(cè)方面，目前的研究還不足以通過(guò)電弧聲信號(hào)特征精確判別焊槍位置，基于電弧聲信號(hào)的焊縫跟蹤技術(shù)還需要進(jìn)一步深入研究。